China kiln refractory bricks

Investigación sobre la erosión de ladrillos de corindón y mullita por escoria de horno rotatorio

Abstracto

Este estudio se centra en el problema de la erosión de los ladrillos refractarios de corindón y mullita en la zona de combustión de hornos rotatorios para la incineración de residuos peligrosos. Mediante el muestreo de ladrillos usados de una empresa y el empleo de XRD, SEM combinado con EDS para analizar la microestructura y la composición de los ladrillos residuales, exploramos el mecanismo de erosión de los ladrillos de corindón y mullita bajo el ataque de escoria que contiene halógenos y sales con alto contenido de sodio. Los resultados muestran que las sales de sodio, las sales de potasio y elementos como Br y Cl en la escoria tienen una fuerte capacidad de erosión y penetración. Las sustancias de bajo punto de fusión y baja densidad, como NaCl, KBr y sodalita generadas en la matriz, no solo reducen el rendimiento a alta temperatura de los ladrillos en la zona de combustión, acelerando la erosión y el desgaste de los materiales, sino que también provocan una expansión irreversible del volumen de los ladrillos, lo que provoca desconchado durante la operación del horno rotatorio.

1. Introducción

Con el rápido desarrollo de la industria, la generación de residuos peligrosos ha aumentado día a día. Los hornos rotatorios para la incineración de residuos peligrosos, como equipo principal para su manejo, se han utilizado ampliamente debido a su alta eficiencia y capacidad de tratamiento estable. Los ladrillos refractarios de corindón, conocidos por su alta refractariedad y dureza, y los ladrillos de mullita, valorados por su buena estabilidad térmica y resistencia a la corrosión, se utilizan a menudo en las partes clave de los hornos rotatorios, especialmente en la zona de combustión. Sin embargo, la compleja composición de los residuos peligrosos da lugar a la producción de escorias con halógenos (como Cl y Br) y sales de sodio con alto contenido durante el proceso de incineración. Estas escorias erosionan gravemente los ladrillos de corindón y mullita, acortando su vida útil, obligando al mantenimiento frecuente del horno rotatorio y aumentando los costes y los riesgos de seguridad del tratamiento de residuos peligrosos. Por lo tanto, explorar el mecanismo de erosión de dichas escorias en ladrillos de corindón y ladrillos de mullita es de gran importancia para mejorar la estabilidad y la eficiencia económica de los hornos rotatorios de incineración de residuos peligrosos.

2. Sección experimental

2.1 Recolección de muestras

Se seleccionaron ladrillos de corindón y mullita usados de la zona de combustión del horno rotatorio de incineración de una empresa de tratamiento de residuos peligrosos. Se tomaron muestras de múltiples puntos en diferentes posiciones (como el centro de la pared del horno, cerca de la entrada de alimentación, etc.) para garantizar su representatividad. Las muestras se cortaron en tamaños adecuados: algunas se utilizaron para la observación macroscópica de la morfología, otras se molieron para el análisis de la composición, y las restantes se mantuvieron en su estructura original para el estudio de la microestructura.

2.2 Métodos de análisis

1. Análisis de Difracción de Rayos X (DRX): Se utilizó un difractómetro de rayos X para analizar el polvo de ladrillo molido. Mediante el análisis de los patrones de difracción, se determinó la composición de fases de los ladrillos y las fases recién formadas tras la erosión de la escoria, y se exploraron las reglas de cambio de fase.

2. Microscopía Electrónica de Barrido (MEB): Después de pulverizar las muestras con oro, se utilizó un microscopio electrónico de barrido para observar la microestructura de los ladrillos, incluyendo la morfología de la matriz y el agregado, la distribución de grietas y las características de la interfaz de erosión, para obtener información estructural microscópica.

3. Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS): Combinada con SEM, se realizó espectroscopia de energía dispersiva en diferentes áreas de los ladrillos para determinar la composición elemental y la distribución del contenido de cada parte, aclarando la trayectoria de penetración y las áreas de enriquecimiento de los componentes de escoria en los ladrillos.

3. Resultados y discusión

3.1 Análisis de la morfología macroscópica

Los ladrillos refractarios de corindón y mullita utilizados mostraron evidentes características de erosión superficial. En algunas zonas, la superficie de los ladrillos refractarios de corindón era rugosa, con numerosas picaduras de desprendimiento de diferentes profundidades, mientras que los ladrillos refractarios de mullita presentaban más grietas y desgaste en los bordes. Los bordes y las esquinas de algunos ladrillos estaban muy desgastados y sus dimensiones se redujeron significativamente. En zonas con mayor concentración de escoria, como cerca de la entrada de alimentación, la erosión de ambos tipos de ladrillos fue más severa, lo que indica que el grado de contacto y el tiempo de residencia de la escoria con los ladrillos tienen un impacto significativo en el efecto de la erosión.

3.2 Resultados del análisis de difracción de rayos X

La fase principal de los ladrillos refractarios de corindón originales era corindón ($Al_2O_3$), y los ladrillos de mullita consistían principalmente de mullita ($3Al_2O_3 \cdot 2SiO_2$). Después de la erosión de la escoria, aparecieron nuevos picos de fase en los patrones de XRD, incluyendo sodalita ($Na_8[AlSiO_4]_6Cl_2$), cloruro de sodio ($NaCl$), bromuro de potasio ($KBr$), etc. La sodalita se generó por la reacción química entre las sales de sodio en la escoria y los componentes de los ladrillos. Su formación consumió las fases principales en los ladrillos, destruyendo la estructura original de los ladrillos. La presencia de sales de bajo punto de fusión como $NaCl$ y $KBr$ redujo el punto de fusión de la superficie del ladrillo, haciendo que tanto los ladrillos de corindón como los de mullita se erosionaran más fácilmente por materiales a altas temperaturas.

3.3 Resultados del análisis SEM-EDS

1. Características microestructurales: Las imágenes de SEM mostraron que la matriz de los ladrillos de corindón y de los ladrillos refractarios de mullita estaba gravemente erosionada. En la interfaz de erosión, se observaron numerosas grietas y poros finos, y la escoria penetró en el interior de los ladrillos a través de estos canales. En los ladrillos de corindón, los cristales de corindón fueron rodeados y disueltos gradualmente por la escoria; en los ladrillos refractarios de mullita, la estructura de mullita se dañó. A medida que la erosión se profundizaba, la fuerza de unión entre las partículas de ambos tipos de ladrillos se debilitó.

2. Ley de Distribución de Elementos: El análisis EDS indicó que elementos como $Na$, $K$, $Br$ y $Cl$ en la escoria se distribuyeron en la superficie y el interior de los ladrillos. En la superficie de los ladrillos, el contenido de estos elementos era relativamente alto. A medida que se extendía hacia el interior de los ladrillos, el contenido del elemento disminuyó gradualmente, pero aún había un enriquecimiento evidente alrededor de las grietas y los poros. Entre ellos, el elemento $Na$ reaccionó con los componentes en los ladrillos para formar sodalita, creando una red continua de fases de bajo punto de fusión en la matriz. Los elementos $Cl$ y $Br$ existían principalmente en forma de haluros. Estos haluros de bajo punto de fusión eran líquidos a altas temperaturas, lo que aceleraba la penetración de la escoria en los ladrillos.

3.4 Discusión sobre el mecanismo de erosión

1. Erosión química: Las sales de sodio (como el Na₂O) presentes en la escoria reaccionan químicamente con los componentes de los ladrillos refractarios de corindón y mullita para formar fases de bajo punto de fusión, como la sodalita, lo que reduce la refractariedad y la resistencia a altas temperaturas de los ladrillos. Al mismo tiempo, elementos halógenos como el Cl y el Br reaccionan con los componentes metálicos de los ladrillos para formar haluros volátiles, lo que daña aún más la estructura del ladrillo. La erosión química altera la composición de las fases y la composición química de los ladrillos, lo que deteriora su rendimiento.

2. Efectos físicos: Sustancias de bajo punto de fusión y baja densidad, como el $NaCl$ y el $KBr$, se funden a altas temperaturas y rellenan los poros y grietas de los ladrillos, provocando su expansión volumétrica. Debido a las fluctuaciones de temperatura durante el funcionamiento del horno rotatorio, esta expansión volumétrica irreversible genera concentración de tensiones en el interior de los ladrillos. Cuando la tensión supera el límite de resistencia de los ladrillos, se produce desconchado. Además, la presencia de escoria de bajo punto de fusión reduce la viscosidad de la superficie del ladrillo, lo que facilita la erosión y el desgaste de los materiales, acelerando la erosión de los ladrillos de corindón y mullita.

4. Conclusión

1. La escoria que contiene halógenos y sales con alto contenido de sodio en los hornos rotatorios de incineración de residuos peligrosos tiene un fuerte efecto erosivo sobre los ladrillos de corindón y los ladrillos refractarios de mullita, principalmente a través de la erosión química y los efectos físicos.

2. La erosión química provoca un cambio de fase en los ladrillos, generando fases de bajo punto de fusión, como la sodalita. Los efectos físicos provocan la expansión del volumen y el desconchado de los ladrillos debido a la formación de sustancias de bajo punto de fusión, intensificando a su vez la erosión y el desgaste de los ladrillos por los materiales.

3. Este estudio revela el mecanismo de erosión, proporcionando una base teórica para el desarrollo de nuevos materiales refractarios con excelente resistencia a la corrosión y la optimización del diseño y uso de ladrillos refractarios de corindón y mullita para hornos rotatorios de incineración de residuos peligrosos. Las investigaciones posteriores pueden centrarse en la supresión de la formación de fases de bajo punto de fusión y la mejora del rendimiento antiexpansivo de los ladrillos para prolongar la vida útil de los materiales refractarios.